高输出功率正弦信号发生器

高输出功率正弦信号发生器

余师倩，张志勇，方力

（武汉大学电子信息学院，湖北武汉430079）

摘要:基于直接数字频率合成DDFS （Direct Digital Frequency Synthesize ）技术，依据调制信号相关原理，设计以DDS 集成电路AD9851为核心的正弦信号发生器，可精确输出幅度调节范围为50mV PP ~20V PP ，频率调节范围100Hz~30MHz 的正弦波，还可输出调幅波、调频波、PSK 、ASK 信号。该设计在宽频带内能获得大幅度的低失真波形。采用多种抗干扰措施以减少噪声并抑制高频自激，通过软件补偿提高频带内输出幅度的平坦度。该系统输出波形谐波失真度小，无杂散动态范围（SFDR ）达39.8dBc ，功能稳定，操作简便。

关键词:正弦信号；调幅；调频；直接数字频率合成（DDFS ）；AD9851中图分类号:TN76

文献标识码：A

文章编号：1674－6236（2010）02-0050-03

Sine signal generator with high output power

YU Shi -qian ，ZHANG Zhi -yong ，FANG Li

（School of Electronic Information, Wuhan University ，Wuhan 430079，China ）

Abstract ：Based on the technique of direct digital frequency synthesize （DDFS ）and the theory of signal modulation ，a sinusoidal generator with core chip AD9851is designed ，whose frequency range is 100Hz~30MHzand amplitude range is 50mV PP ~20VPP . The sinusoidal generator also outputs of FM ，AM ，PSK and ASK signals.The system design achieves wide amplitued ，low distor -tion wave.Taking anti -interference measures ，and takes the advantage of software compensation ，the system exports high accurate waveform ，whose SFDR is up to 39.8dBc ，and has the stable funtion and convenient operation.

Key words ：sine signal ；amplitude modulation ；frequency modulation ；direct digital frequency synthesize （DDFS ）；AD9851

电子设计实验用到的激励信号源通常是由函数信号发生器提供，但往往难以兼顾宽频带、宽幅度范围和低谐波失真，因此需自行设计信号源实现既定信号输出。基于直接数字频率合成DDFS （Direct Digital Frequency Synthesize ）技术，依据调制信号相关原理，设计出一种基于DDS 的正弦信号发生器，能够得到低失真的宽带正弦波以及各种调制信号，带负载能力强，满足多方面需求，发展前景良好，可广泛应用于工程领域。

图1系统总体设计框图

2主要功能模块的设计

2.1

自动增益控制（AGC ）

为保证AD9851输出的信号平坦度，需增加一级AGC 电路，这里采用AD603和反馈控制技术构成AGC 电路[1]。AD60-

1系统总体设计方案

该系统设计是以单片机和FPGA 组成的最小系统为控

制平台。利用FPGA 运算速度快、资源丰富等特点，实现DDS 等功能模块的时序控制。对于模拟部分，AD9851的输出经自动增益控制（AGC ）、幅度控制、信号调理（放大、滤波）、功率放大后得到100Hz~30MHz 的正弦信号。DDS 信号源输出的调制信号和AD9851输出的载波信号经乘法器实现调幅；单片机控制调频信号的中心频率，DDS 模块的输出控制频偏，这两者一同控制AD9851的频率控制字，实现调频；键盘输入二进制基带码，经并串转换后采用100kHz 固定频率的载波进行键控，实现2ASK 和2PSK 。图1所示为该系统设计的总体设计框图。

收稿日期:2009-07-02

稿件编号:200907007

3是ADI 公司生产的可变增益放大（VGA ）器件，具有宽频带、

低噪声、高增益精度（最大增益误差0.5dB ）等特性。应注意其输入电压范围是-1.4~1.4V ，若超出该范围，则严重失真；控制端（引脚1、2）共模输入电压范围-1.2~2V ，若超出范围，则增益控制不精确[2]。在AD603输出端接一个由THS4011构成的放大倍数为2的同相放大器，具有缓冲作用，避免自激。

2.2幅度控制

AD9851通常输出信号幅度固定，用AD603构成可变增

益放大器，其后串接一个由THS4011构成的同相放大器，可有效调节幅度。AD603的引脚1的电压固定，引脚2的电压

（1988—），，湖北汉川人。：。

余师倩，等高输出功率正弦信号发生器

由12位串口D/A转换器TLV5616调节，以控制AD603增益，从而控制输出信号的幅度。为了精确控制，引脚1和2都应连接滤波电容，以滤除纹波，这是因为V G 即使受微小扰动也会导致输出电压很大变化

。图2

为系统的控幅电路。

型运算放大器，具有宽带宽、高摆率和低失真的特性。在

THS3001的输出端并接1只22pF 的电容至地，实现滞后补

偿，防止高频段自激。然后对信号滤波，电路中这两个7阶的椭圆滤波器分别滤除频率大于11MHz 的信号谐波和频率大

于18MHz 的信号谐波。无源滤波器对阻抗匹配要求很高，又因滤波器会将信号幅度衰减一半，则采用

THS3001构成的同相放大器对滤波器进行阻抗匹

配，并将信号放大2倍。输入阻抗匹配采用同相放大器，因为同相放大器具有输入阻抗高、输出阻抗几乎为零的特点，具有隔离作用。滤波器后接射随，对滤波器的输出阻抗进行匹配且具有缓冲作用。最后衰减大信号，对不同幅度段的信号分档处理，一路直

图2

控幅电路

通，一路作10倍衰减，一路作40倍衰减。衰减器采用π型网络实现。通道选择由电磁继电器切换。图3

为信号调理电路框图。

2.3

调幅（AM ）

调幅电路是由乘法器和加法器组成。该电路采用模拟乘法器AD835实现。实际控制调幅度m a 时，保持载波信号幅度不变，控制调制信号的幅度在0.1~1V 范围内变化，就可使

m a 在10％～100％之间变化[3]。为使AD835正常工作，电源不

仅连接0.1μF 的瓷片电容和4.7μF 的钽电容进行去耦，还须加磁珠以防止高频信号干扰。

调制信号由FPGA 内部的DDS 模块产生，再由高速D/A转换器DAC902实现数模转换，而DAC902的电压基准由串行D/A转换器TLV5616程控调节，这样可节省端口资源。

2.7功率放大

输出信号频率范围为100Hz~30MHz ，要在该频带内得到大幅值，这里采用分立元件搭建准互补推挽功放[5]。在输入信号的一个周期内，两管半周期轮流导通，减小单管的静态损耗，具有较高的输出效率和功率。

同时由于电路的对称性，可在输出负载端得到完整的双极性波形。此电路前级由THS3001构成同相放大器，电压放大倍数为A v=1+R 4/R 10；后级选用NSC 公司的2N3904和

2.4调频（FM ）

DDS 模块产生调制信号，控制频偏，同时通过单片机控

制总线输入FM 的中心频率，然后将二者相加，由二者的和控制AD9851的频率控制字，就可使AD9851产生调频信号。

2.5键控（ASK ，PSK ）[4]

通过键盘任意输入8位二进制信号，通过并串转换，得

2N3906三极管（特征频率f T =200~300MHz ），采取并联的方式

扩流[6]。通过V D1、V D2的电压箝位实现三极管的微导通，避免交越失真。

图4为功率放大电路。

到串行序列码。转换时钟频率即为基带码率。用该序列码控制DDS 模块中产生100kHz 载波的频率控制字的累加。当序列值为“0”时，将相位指向幅值为0处，为“1”时则相位累加器正常工作，然后经数模转换，即可得到2ASK 信号。

至于PSK ，这里只产生2PSK 信号。通过键盘任意输入8位二进制信号，通过并串转换，得到串行序列码。为使相位跳变恰好发生在过零点，将100kHz 载波信号10分频作为转换时钟，码元为“1”时，将相位累加器初值置π；码元为“0”时，将相位累加器初值置0。

2.6信号调理

信号调理电路是该系统设计中的重要部分，由于在这一级的处理，本设计在高频段和高幅度段仍能获得高质量的波形。AD9851输出信号经AGC 、幅度调节模块，幅度被放大到很大，在频率较高时产生谐波失真，因此需进行滤波。输入信号幅度太低，滤波效果受到影响。本设计的幅度范围很宽，需将信号先放大再衰减。先采用THS3001构成的同相放大器将信号放大约倍。THS3001是TI 公司的高速低噪电流反馈

GPRS 的污水处理监控系统，基于Windows2000环境下的In -touch 8.0系统进行监控软件的2次开发，通过系统的投产运

行，该系统在处理污水的能力方面较以前有较大幅度的提升，且节约了经济成本。GPRS 技术由于其优越性，在自动控制、环境监测等方面将发挥更大的作用[7]。参考文献:

[1]葛玉连, 赵保康, 喻一萍. 浅谈城市污水处理及工业污水

在线监测[J].排灌机械, 2005，32（6）：34-37.

图4出水检测BOD5数据变化图

[2]李汉玲.GPRS 在污水处理监控系统中的应用[J].机械工程

与自动化，2008（3）：177-179.

机立即报警，并记录有关数据、工况，以供分析处理。计算机所测数据可按一定时间间隔记录到硬盘上，也可根据用户的要求在各种条件下存盘，用户可根据需要随时调取有关数据进行显示、打印。同时还可实现网络发布功能，使各终端通过

[3]李平均. 基于GPRS 网络的单片机的Internet 接入[J].微电

子学与计算机，2006，23（3）：34-36，39

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[5]李平均，申健，范威基于GPRS 网络的单片机的Internet

接入[J].机械工程与自动化，2006（3）：15-17.

Web 访问服务器，实时了解监控数据，同样可以实现各种动

画、表格、曲线的显示，满足不同权限的用户实时了解各站点工作情况及监测数据的需求。

5结论

本研究项目针对传统污水监控系统由于监控点位置分

[6]李汉玲. GPRS 在污水处理监控系统中的应用[J].机械工程

与自动化，2008（3）：22-24.

[7]郑远锋，何林泰. 无人值班变电站遥视系统的应用[J].陕西

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散，通过有线的方式布置系统存在成本过高、缺乏灵活性等

缺点，GPRS 技术为污水处理公司设计一于